Propósito del núcleo del transformador
En un transformador de energía eléctrica, hay bobinas primarias, secundarias y a veces también terciarias. El rendimiento de un transformador depende principalmente de los vínculos de flujo entre estas bobinas. Para un eficiente enlace de flujo entre estos devanados, debe proporcionarse en el transformador un camino magnético de baja reticencia común a todos los devanados. Este camino magnético de baja reticencia en el transformador se conoce como el núcleo de un transformador. Los tres tipos principales de núcleos de transformadores son:
- Transformadores de tipo núcleo
- Transformadores de tipo casco
- Transformadores de núcleo de aire
Influencia del diámetro del núcleo del transformador
Consideremos, el diámetro de la núcleo del transformador ser D.
Luego, el área de la sección transversal del núcleo,
Ahora, voltaje por turno,
¿Dónde, Bm es la máxima densidad de flujo del núcleo.
E es proporcional a D2.
Por lo tanto voltaje por vuelta se incrementa con el aumento del diámetro del núcleo del transformador.
De nuevo si el voltaje a través del bobinado del transformador es V.
Entonces V = eN, donde N es el número de vueltas en el devanado.
Si V es constante, e es inversamente proporcional a N. Y por lo tanto, D2 es inversamente proporcional a N. Por lo tanto, el diámetro del núcleo se incrementa, el número de vueltas en el el bobinado del transformador reducido. La reducción del número de vueltas, la reducción de la altura de las patas del núcleo en lugar de la reducción de la altura de las patas del núcleo aumentó en el diámetro del núcleo, resulta en el aumento del diámetro total de la núcleo del transformador. Este aumento del peso del acero conduce finalmente a un aumento del núcleo pérdidas en el transformador. El aumento del diámetro del núcleo lleva a un aumento del diámetro principal en el bobinado. A pesar del aumento del diámetro de las vueltas del bobinado, la reducción del número de vueltas en las bobinas, conduce a una menor pérdida de cobre en transformador.
Así que si seguimos aumentando el diámetro del núcleo del transformador, las pérdidas en el núcleo del transformador aumentarán pero al mismo tiempo, la pérdida de carga o pérdida de cobre en el transformador se reduce. Por otra parte, si se reduce el diámetro del núcleo, se reduce el peso del acero en el núcleo; lo que lleva a una menor pérdida de núcleo del transformador, pero al mismo tiempo, esto lleva a un aumento en el número de vueltas en el bobinado, significa un aumento en el peso del cobre, lo que lleva a una pérdida extra de cobre en el transformador. Por lo tanto, el diámetro del núcleo debe ser optimizado durante diseño del núcleo del transformadorconsiderando ambos aspectos.
Material para el núcleo del transformador
El principal problema de la núcleo del transformador es su histéresis y pérdidas por corrientes de Foucault. La pérdida de histéresis en el transformador depende principalmente de los materiales de su núcleo. Se ha descubierto que, una pequeña cantidad de silicio aleado con acero de bajo contenido en carbono produce material para el núcleo del transformador, que tiene una baja pérdida de histéresis y una alta permeabilidad. Debido a la creciente demanda de energía, se requiere reducir aún más las pérdidas del núcleo y para ello se emplea otra técnica en el acero, que se conoce como laminación en frío. Esta técnica dispone la orientación del grano en el acero ferromagnético en la dirección de la laminación.
El núcleo de acero que ha sido sometido a los tratamientos de aleación de silicio y laminación en frío se conoce comúnmente como CRGOS o Acero al Silicio Orientado a Grano Laminado en Frío. Este material se utiliza ahora universalmente para la fabricación de núcleos de transformadores.
Aunque este material tiene una baja pérdida específica de hierro, tiene algunas desventajas, como que es susceptible de aumentar la pérdida debido al flujo de flujo en una dirección diferente a la orientación del grano y también es susceptible de disminuir su rendimiento debido al impacto de la flexión y el corte de la lámina CRGOS. Ambas superficies de la hoja están provistas de un revestimiento aislante de óxido.
Diseño óptimo de la sección transversal del núcleo del transformador
La máxima densidad de flujo del acero CRGO es de alrededor de 1,9 Tesla. Significa que el acero se satura con una densidad de flujo de 1,9 Tesla. Un criterio importante para el diseño del núcleo del transformadores que no debe saturarse durante el modo de funcionamiento normal de los transformadores. Voltajes del transformador dependen de su flujo magnetizante total. El flujo magnetizante total a través del núcleo no es más que el producto de la densidad de flujo y el área transversal del núcleo. Por lo tanto, la densidad de flujo de un núcleo puede ser controlada ajustando el área de la sección transversal del núcleo durante su diseño.
La forma ideal de la sección transversal del núcleo de un transformador es circular. Para hacer una sección transversal circular perfecta, todas y cada una de las sucesivas láminas de acero de laminación deben ser cortadas en diferentes dimensiones y tamaños. Esto es absolutamente antieconómico para la fabricación práctica. En realidad, los fabricantes utilizan diferentes grupos o paquetes de hojas de laminación de la misma dimensión predefinidos. El grupo o paquete es un bloque de hojas de laminación con una altura (espesor) óptima predefinida. El núcleo es un ensamblaje de estos bloques de forma tan sucesiva según su tamaño a partir de la línea central del núcleo, que da una forma circular óptima de la sección transversal. Esa sección transversal típica se muestra en la figura siguiente.
Se necesitan conductos de aceite para enfriar el núcleo. Los conductos de refrigeración son necesarios porque la temperatura del punto caliente puede aumentar peligrosamente y su número depende del diámetro del núcleo y de los materiales que se utilizan para el mismo. Además, se necesitan placas de sujeción de acero a ambos lados del núcleo para sujetar la laminación. Los bloques de laminación de la chapa de acero, los conductos de aceite y las placas de sujeción; todos ellos deben estar situados dentro de la periferia del círculo del núcleo óptimo.
El área neta de la sección se calcula a partir de las dimensiones de varios paquetes y se tiene en cuenta el espacio perdido entre la laminación (conocido como factor de apilamiento) para el cual la lámina de acero de 0,28 mm de espesor con revestimiento aislante es de aproximadamente 0,96. El área también se deduce para los conductos de petróleo. La relación entre el área transversal neta del núcleo y el área transversal bruta dentro del círculo periférico imaginario se conoce como factor de utilización del núcleo del transformador. El número creciente de pasos mejora el factor de utilización pero al mismo tiempo aumenta el costo de fabricación. El número óptimo de pasos está entre 6 (para un diámetro menor) y 15 (diámetro mayor).
Fabricación del núcleo del transformador
Durante la fabricación del núcleo de un transformador, los principales factores que se tienen en cuenta son
- Mayor fiabilidad.
- Reducción de la pérdida de hierro en el transformador y la corriente magnetizadora.
- Bajando el costo de los materiales y la mano de obra.
- la disminución de los niveles de ruido.
El control de calidad es necesario en cada paso de la fabricación para asegurar la calidad y la fiabilidad. La hoja de acero debe ser probada para asegurar los valores específicos de pérdida de núcleo o de pérdida de hierro. La laminación debe ser revisada e inspeccionada visualmente, la laminación oxidada y doblada debe ser rechazada. Para reducir los ruidos del transformador, la laminación debe estar bien sujeta y se deben evitar en la medida de lo posible los agujeros de perforación para minimizar las pérdidas de hierro de flujo cruzado. El espacio de aire en la unión de las extremidades y los yugos debe reducirse lo más posible para permitir un máximo de caminos conductores suaves para la corriente magnetizante.
La unión de las extremidades con los yugos en las esquinas
Núcleo pérdidas en el transformador …se deben principalmente a..,
- El flujo magnético fluye a lo largo de la dirección de la orientación de los granos,
- El flujo magnético flujo perpendicular a la dirección de la orientación de los granos, esto también se conoce como pérdidas de hierro de grano cruzado. La pérdida de grano cruzado se produce principalmente en las zonas de unión de las esquinas de las extremidades con los yugos y puede controlarse en cierta medida aplicando técnicas especiales de unión de las esquinas. Normalmente se utilizan dos tipos de juntas en un núcleo de transformador,
- Articulaciones intercaladas
- Las juntas de inglete
Articulaciones intercaladas en el núcleo del transformador
La unión intercalada en el núcleo del transformador es la forma más simple de unión. Esta unión se muestra en la figura. El flujo sale y entra en la articulación en perpendicular a la orientación del grano. Por lo tanto, las pérdidas de grano cruzado son altas en este tipo de articulaciones. Pero considerando el bajo costo de fabricación, es preferible utilizarlo en transformadores de pequeña potencia.
Juntas en mitra en el núcleo del transformador
Aquí las láminas se cortan a 45o. Las extremidades y los bordes de laminación del yugo se colocan cara a cara en las articulaciones mitrales en un núcleo transformador. Aquí el flujo entra y sale de la laminación, obtiene un camino suave en la dirección de su flujo; por lo tanto, la pérdida de grano cruzado es mínima aquí. Sin embargo, implica un aumento de los costes de fabricación. Es preferible utilizarlo en tipos de transformadores donde la minimización de las pérdidas es el principal criterio en diseño de un núcleo transformador.
